CN104817175A - 一种强化污水脱氮除磷效率同时产电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化污水生物脱氮除磷效率同时产电的方法，主要针对污水处理工艺中厌氧释磷和缺氧反硝化过程对碳源需求的竞争造成的脱氮除磷效率低、运行成本高等问题而设计的。本发明污水生物脱氮除磷方法主要涉及阳极电极和阴极电极，将阳极和阴极分别设在脱氮除磷工艺的厌氧区和缺氧区，通过外导线和外接负载将阳极和阴极相连，形成闭合回路，采用电极与污水处理工艺耦合的方式强化脱氮除磷效率同时产生电能。本发明无需添加化学试剂、运行成本低、运用范围广、强化效果明显且能产生新能源，具有广泛的应用前景。

Description

一种强化污水脱氮除磷效率同时产电的方法

技术领域

本发明涉及污水处理和能源回收领域，具体涉及微生物强化污水中氮磷污染物的去除，同时产生一定量的电能，且不干扰传统污水处理工艺的污水处理方法。

技术背景

目前，含氮、磷污染物的过度排放被公认为是造成世界范围内水体富营养化和生态环境恶化的主要原因。因此，开发经济、高效的脱氮除磷技术已成为当前污水处理技术领域的研究重点。

但是，由于城市污水的脱氮除磷处理工艺大都是将厌氧、缺氧和好氧三种不同的环境条件交替运行，生物反应池中会存在例如兼性厌氧发酵细菌、反硝化菌、好氧聚磷菌等多种适合于不同环境的微生物。不同种类的微生物菌群共存于同一污泥系统中，必然存在细菌之间不同泥龄和碳源的竞争。由于上述矛盾的存在，系统很难实现不同功能的三种菌的最佳生长条件，因此污水处理工艺一般不能同时实现氮磷的高效去除。

为解决污水处理碳源不足引起的氮磷难以同时高效去除的问题，研究者们进行了工艺改良：针对碳源不足采取的措施，如补充碳源、改变进水方式等。然而，基于对传统工艺流程及反应器改良的新工艺，需要另设庞大复杂的水处理构筑物，所占的体积空间大，而且增加了运行成本和操作控制难度；基于新的微生物学和生物化学理论开发出的新型工艺，如何进行微生物的筛选、培育以及如何通过合理控制来保持它们在水处理系统中的优势地位都是难点。

此外，国内外对污水处理工艺的研究多聚焦在单纯的污水处理，忽略了废水中能源的回收，因此，如何利用更简单、易行、低成本的装置实现污水脱氮除磷同时产生新能源成为污水处理的关键。

发明内容

本发明克服现有技术的缺点，提供一种耗能低、处理效率高、运行成本低、无二次污染的新型生物脱氮除磷处理方法，该方法可实现对厌氧释磷过程和缺氧反硝化过程对化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)需求的优化分配，强化现有污水处理工艺出水水质，同时产生电能。

本发明强化脱氮除磷效率同时产电的废水生物处理方法，包括以下步骤：

1)将纸壳碳、碳毡、碳布、石墨泡沫等导电材料设于污水处理工艺的厌氧区；

2)将纸壳碳、碳毡、碳布、石墨泡沫等导电材料设于污水处理工艺的缺氧区；

3)厌氧区导电材料做为阳极，缺氧区导电材料做为阴极，阳极和阴极通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路；

4)废水进水厌氧池中，微生物氧化有机碳，释放电子和质子，同时充分释磷；废水进入缺氧池中，反硝化菌和反硝化聚磷菌在低碳源或无碳源的情况下，接收厌氧区通过外电路传递到缺氧区阴极的电子，和通过水流传递给阴极的质子，将污水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气，降低了反硝化微生物与除磷微生物在COD上的竞争；废水进入好氧池中，在微生物作用下，发生氨化、硝化以及聚磷菌过量吸磷等反应。

所述工艺中的阳极导电材料可以是由任何形式的易于微生物附着且导电性能好的材料组成。

所述工艺中的阴极导电材料可以是由任何形式的易于微生物附着且导电性能好的材料组成。

所述工艺中的阳极电极，为缩短阴、阳极之间距离降低内阻，提高输出功率，阳极电极排布在厌氧池末端最靠近厌氧池出水口的一端向缺氧池进水口的方向。

所述工艺中的阴极电极，为缩短阴、阳极之间距离降低内阻，提高输出功率，阴极电极排布在缺氧池初始端靠近缺氧池进水口开始向厌氧池出水口的方向。

所述工艺中的阴极和阳极的比表面积根据实际污水处理工艺的大小有所变动。

所述工艺中接种污泥，对污泥进行常规驯化，形成活性颗粒性污泥，缩短污水处理工艺启动时间。

所述工艺中的反硝化微生物是一类可以以硝酸盐氮为电子受体，在缺氧低碳环境中实现反硝化脱氮的菌种。

所述整个污水处理工艺在室温条件下进行。

本发明强化污水生物脱氮除磷效率方法，在传统工艺的厌氧区和缺氧区分别增添了阳极导电材料和阴极导电材料，并通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路。通过电极刺激，改变污泥中的微生物群落结构，实现反硝化菌群的强化与富集，从而提高了污水处理工艺在低碳环境下的脱氮除磷效率。

本发明出水中总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)和NH⁴⁺-N浓度的检测是采用碱性过硫酸钾-UV分光过度法、钼酸铵分光光度法和水杨酸-次氯酸盐分光光度法测定的。

附图说明

图1是本发明处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本污水处理方法做进一步说明。

实施例：

按照图1所示的流程处理城市污水。在储泥罐中接种活性污泥，对污泥进行常规驯化，形成活性颗粒污泥，使反应器快速启动。在污水处理工艺的厌氧区和缺氧区分别增添阳极导电材料和阴极导电材料，并通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路，类似于连续流无膜阴极微生物燃料电池，将耦合反应器命名为MFC-AA/O反应器。

本实例处理的城市污水进水中的COD含量为200mg/L-420mg之间；NH⁴⁺-N含量平均约为17.62±4.20mg/L；TN含量平均约为40.43±4.72mg/L；TP含量平均约为40.43±4.72mg/L。废水首先进入进水池，反应器运行时进水池和储泥罐分别以相同的速度往MFC-AA/O反应器内进废水和活性污泥，使污水和活性污泥充分混合，去除污水中的部分污染物。经MFC-AA/O反应器处理后的泥水混合物溢流至二沉池，静置后泥水分离，上清液为完成处理的达标水被排出，下面沉淀的活性污泥则由蠕动泵快速抽回储泥罐循环利用，好氧区污水回流至缺氧区的速率与进水池污水流入厌氧池的速率相同，整个反应在室温条件下进行。

本实例中MFC-AA/O反应器各个阶段反应如下：

废水经水泵由进水池进入到MFC-AA/O反应器厌氧池中，通过厌氧池中活性污泥进行有机碳氧化，释放电子和质子，同时充分释磷；废水进入缺氧池中，反硝化菌和反硝化聚磷菌在低碳源或无碳源的情况下，接收厌氧区通过外电路传递到缺氧区阴极的电子，和通过水流传递给阴极的质子，将污水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气，降低了反硝化微生物与除磷微生物在COD上的竞争；废水进入好氧池中，在微生物作用下，发生氨化、硝化以及聚磷菌过量吸磷等反应。

上述废水经过本实例工艺处理后，取得了很好的效果，反应器TN、TP去除率比传统脱氮除磷工艺分别提高了23.18％、19.31％，出水各项指标均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，同时该工艺产生了电能，平均输出电压为507.8±60.4mV，最高产电达到峰值605.5mV，可以带动一些小功率的直流用电器，具有经济和技术双重优势，此外AA/O缺氧区的微生物群落结构发生了明显变化，Dechloromonas、Thauera、Pseudomonas等属中的一种或数种脱氮菌的数量明显增多，且污泥沉降性能好，无污泥膨胀现象等特点。。

本发明为富营养化城市污水的高效脱氮除磷处理提供了新方法，成本低、操作简单、可以应用于各种脱氮除磷污水处理工艺中，具有广泛的应用前景。

以上，仅为本发明的较佳施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种强化污水脱氮除磷效率同时产电的方法，其特征在于：

将导电材料分别设于污水处理工艺的厌氧区和缺氧区，厌氧区电极材料做为阳极，缺氧区电极材料做为阴极，阳极和阴极通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路，与污水处理工艺实现耦合，强化污水生物脱氮除磷效率的同时产生电能，具体方法如下：

1)将纸壳碳、碳毡、碳布、石墨泡沫等导电材料设于污水处理工艺的厌氧区；

2)将纸壳碳、碳毡、碳布、石墨泡沫等导电材料设于污水处理工艺的缺氧区；

3)厌氧区导电材料做为阳极，缺氧区导电材料做为阴极，阳极和阴极通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路；

4)废水进水厌氧池中，微生物氧化有机碳，释放电子和质子，同时充分释磷；废水进入缺氧池中，反硝化菌和反硝化聚磷菌在低碳源或无碳源的情况下，接收厌氧区通过外电路传递到缺氧区阴极的电子，和通过水流传递给阴极的质子，将污水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气，降低了反硝化微生物与除磷微生物在COD上的竞争；废水进入好氧池中，在微生物作用下，发生氨化、硝化以及聚磷菌过量吸磷等反应。

所述工艺中的阳极导电材料可以是由任何形式的易于微生物附着且导电性能好的材料组成。

所述工艺中的阴极导电材料可以是由任何形式的易于微生物附着且导电性能好的材料组成。

所述工艺中的阳极电极，为缩短阴、阳极之间距离降低内阻，提高输出功率，阳极电极排布在厌氧池末端最靠近厌氧池出水口的一端向缺氧池进水口的方向。

所述工艺中的阴极电极，为缩短阴、阳极之间距离降低内阻，提高输出功率，阴极电极排布在缺氧池初始端靠近缺氧池进水口开始向厌氧池出水口的方向。

所述工艺中的阴极和阳极的比表面积根据实际污水处理工艺的大小有所变动。

所述工艺中接种污泥，对污泥进行常规驯化，形成活性颗粒性污泥，缩短污水处理工艺启动时间。

所述工艺中的反硝化微生物是一类可以以硝酸盐氮为电子受体，在缺氧低碳环境中实现反硝化脱氮的菌种。

所述整个污水处理工艺在室温条件下进行。

本发明强化污水生物脱氮除磷效率方法，在传统工艺的厌氧区和缺氧区分别增添了阳极导电材料和阴极导电材料，并通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路。通过电极刺激，改变污泥中的微生物群落结构，实现反硝化菌群的强化与富集，从而提高了污水处理工艺在低碳环境下的脱氮除磷效率。

2.根据权利要求1所述的强化污水生物脱氮除磷效率同时产电的方法，在传统工艺的厌氧区和缺氧区分别增添了阳极和阴极，并通过外导线和外接负载相连，形成闭合回路。通过电极刺激，改变污泥中的微生物群落结构，实现反硝化菌群的强化与富集，从而提高了污水处理工艺在低碳环境下的脱氮除磷效率同时产生了电能，可以带动一些小功率的直流用电器。